油田辦公樓應用光伏發(fā)電的可行性探討

姜忠凱

（大慶油田第七采油廠數(shù)字化運維中心，黑龍江 大慶 163517）

在國家“碳中和、碳達峰”的政策下，發(fā)展綠色清潔能源是實現(xiàn)目標的重要抓手，太陽能憑借著綠色環(huán)保、日趨成熟的技術水平、安全、長壽命和取之不盡用之不竭等優(yōu)勢得到越來越廣泛的應用，成為能源替代的主力軍。而油田也有著節(jié)能減排、提質(zhì)增效的目標要求，因此太陽能光伏發(fā)電可以為油田實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展提供重要保障。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介

太陽能發(fā)電指的是無需通過熱過程直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式，包括光伏發(fā)電、光化學發(fā)單、光感應發(fā)電和光生物發(fā)電。通常來說，太陽能發(fā)電指的是太陽能光伏發(fā)電，簡稱“光電”。光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術。該發(fā)電技術無枯竭危險、無公害、不受資源分布地域的限制、建設周期短、維護簡單、可靠性高應用范圍廣等諸多優(yōu)點。太陽能供電系統(tǒng)按供電類型分為直流供電系統(tǒng)、交直流供電系統(tǒng)；按照供電特點分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)（也叫離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)）和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1.1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)是指僅僅依靠太陽能電池供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)或者主要依靠太陽能電池供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用自發(fā)自用模式。該系統(tǒng)由太陽能電池、充放電控制器、蓄電池、逆變器以及負載（直流負載、交流負載）組成。該系統(tǒng)由于負載只有太陽能光伏系統(tǒng)供電，所以系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性會受到諸如日照和溫度等氣象條件的影響，因此需要使用蓄電池來調(diào)節(jié)，但蓄電池在充放電時會出現(xiàn)損失且維護檢修成本高，因此獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)一般容量較小。主要用于小容量的用戶、遠離電網(wǎng)的邊遠地區(qū)、不采用電氣配線施工的地區(qū)、夜間和降水時不需要電網(wǎng)供電的地點以及特殊領域的供電。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)圖如圖1。

圖1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可以將太陽能電池陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同幅、同頻、同相的交流電，并實現(xiàn)與電網(wǎng)連接并向電網(wǎng)輸送電能。該系統(tǒng)主要由太陽能電池、匯流箱、控制器、逆變器、負載等控制系統(tǒng)與設備組成，還可以根據(jù)實際項目需求，設置蓄電池、供電系統(tǒng)監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測裝置。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行模式是太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)匯流箱匯集后，通過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電為建筑自身設備供電，多余或不足的電力通過電網(wǎng)來調(diào)節(jié)輸出或者供給。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖如圖2。

圖2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

如果根據(jù)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的應用形式，應用規(guī)模及負載的類型，可以再進行比較細致的劃分，具體為如下：有逆潮流并網(wǎng)系統(tǒng)；無逆潮流并網(wǎng)系統(tǒng)；切換式并網(wǎng)系統(tǒng)；直、交流并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)；并網(wǎng)混合系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)分類對比如表1。

表1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)分類對比

光伏發(fā)電系統(tǒng)受日照等氣象因素影響較大，如果加裝蓄電池組可以有效提高并網(wǎng)系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性。通過對比可以看出，在現(xiàn)有的技術條件下：

（1）并網(wǎng)混合系統(tǒng)功能最強、可用面最廣、結(jié)構(gòu)最復雜，但成本最高。

（2）有逆潮流并網(wǎng)系統(tǒng)和無逆潮流并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性最差。

（3）切換式并網(wǎng)系統(tǒng)整體性能則居于中間，性價比最高。

綜合來看，如果是用電時間集中在白天的用戶，采用切換式并網(wǎng)系統(tǒng)更經(jīng)濟合適。

2 可行性分析

2.1 設計原則

設計光伏發(fā)電系統(tǒng)必須考慮諸多因素，通過多方面調(diào)查了解，根據(jù)建筑物的形狀、結(jié)構(gòu)、屋頂結(jié)構(gòu)和當?shù)貧庀髼l件及方位，來選定太陽能電池陣列的設置場所，然后確定電氣方式、負載類型、負載容量和系統(tǒng)配件的安裝場所，以此決定系統(tǒng)的形式、構(gòu)成，通過用電量計算太陽能電池的陣列容量和發(fā)電量，解決太陽能電池的方位角、傾斜角、可設置的面積、臺架形式以及布置方式等。一般而言太陽能電池是整套系統(tǒng)的核心部件。太陽能電池組件設計的一個主要原則就是要滿足平均天氣條件下負載的每日用電需求。因為天氣條件有低于和高于平均值的情況，所以要保證太陽能電池組件和蓄電池在天氣條件有別于平均值的情況下協(xié)調(diào)工作。目前太陽能電池板主要有以下幾種類型：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池(含薄膜太陽能電池）、多元化合物太陽能電池等。按照當前技術水平，太陽能電池的使用壽命一般在25～30年。

2.2 舉例分析

采油七廠地處東北，太陽能電池板在每平方米一年內(nèi)接收太陽輻射總量為4190～5016MJ，年日照有效時數(shù)為1329.29h，最佳安裝角度為41°，經(jīng)查詢大慶峰值日照（見表2），取平均日照峰值4.16kWh/m2。

表2 大慶市光照峰值日照時數(shù)表（單位：kWh/m2/day）

以采油七廠計量儀表室辦公樓樓為例進行分析。該樓用電主要集中在白天，辦公用電中照明燈具、空調(diào)、計算機、打印機以及辦公室內(nèi)小型電器等設備的功率并不是重負荷，不是需要24h穩(wěn)定運行的生產(chǎn)單元，屬于三級配電負荷。該樓前、后兩部分屋頂均無遮擋，總面積為932m2。計量儀表樓地理位置及面積圖如圖3。

圖3 計量儀表樓地理位置及面積

樓內(nèi)用電設備的全年總功率約為14750kW?？蛇x用高性能單晶硅太陽能電池組件，以國產(chǎn)某品牌太陽能光伏板為例，其光電轉(zhuǎn)換效率可達21.5%，規(guī)格為550WP，開路電壓49.8V，工作溫度為-40～85℃，組件尺寸為：2094×1038×35mm。

經(jīng)過計算，該光伏發(fā)電系統(tǒng)滿足年消費量時的必要的太陽能電池容量為20.261kW，需要安裝單晶硅組件37片，每片的面積為2.2m2，總安裝面積為82m2。因安裝占地面積遠小于屋頂面積，光伏電池板可以安裝在后樓屋頂，因東北冬季低溫寒冷，為了保障設備的使用壽命，可將光伏逆變器和蓄電池組置于樓內(nèi)。

如果以網(wǎng)上查詢的設備價格為參考，整套設備成本預估為16萬元。按照目前國家電網(wǎng)的價格：低壓0.7165元/千瓦時（含稅13%）來計算，預計15.74年可收回成本。如果大規(guī)模安裝采購，成本可以降低，成本回收周期也可以縮短。

綜合考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與性價比，計量儀表樓可以使用切換式并網(wǎng)系統(tǒng)。

3 結(jié)語

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)目前的技術是比較成熟的，可以根據(jù)不同負載需求選擇獨立或者并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)特點不同，根據(jù)目前的技術水平，并網(wǎng)混合系統(tǒng)功能最強，穩(wěn)定性最好，但復雜程度也最高，成本最高；切換式并網(wǎng)系統(tǒng)價格較低，性價比較高。計量儀表樓用電負荷有限，并且用電時間主要集中在白天，綜合考慮，安裝切換式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)更適合。以采油七廠計量儀表樓為例進行多角度分析可以得出，完全可以在光伏設備使用周期內(nèi)收回成本，隨著技術的進步，光伏發(fā)電系統(tǒng)的總成本和成本回收周期會進一步下降。